FR2534745A1

FR2534745A1 - Composite material for producing electrical currents between two surfaces which can move with respect to each other.

Info

Publication number: FR2534745A1
Application number: FR8217585A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-10-15
Filing date: 1982-10-15
Publication date: 1984-04-20

Abstract

The invention relates to the manufacture of articles which ensure the transfer of electrical current between circuit elements which can move with respect to each other. The production of this type of article made from composite material, in which the fibres essentially ensure the transfer of the electrical current and the matrix essentially the friction, enables them to be produced easily and cost-effectively whilst ensuring defined and reproducible characteristics. Embodiment and design-simplification examples are given.

Description

MATERIAU COMPOSITE POUR
LA REALISATION DE CONTACTS ELECTRIQUES ENTRE DEUX
SURFACES MOBILES L'UNE PAR RAPPORT A L'AUTRE
La présente invention concerne la fabrication de pièces assurant le transfert du courant électrique entre 2 éléments de circuit mobiles l'un par rapport à l'autre.COMPOSITE MATERIAL FOR
MAKING ELECTRICAL CONTACTS BETWEEN TWO
MOBILE SURFACES IN RELATION TO ONE ANOTHER
The present invention relates to the manufacture of parts ensuring the transfer of electric current between 2 mobile circuit elements relative to each other.

Le mode de fabrication proposé permet tout à la fois de maitriser la répartition du courant sur l'interface de contact, d'améliorer les conditions de frottement, donc 55 d'abaisser l'usure, les perturbations électriques et de réduire les coûts de fabrication. The manufacturing method proposed makes it possible at the same time to control the distribution of the current on the contact interface, to improve the friction conditions, therefore 55 to reduce wear, electrical disturbances and to reduce manufacturing costs .

Les contacts électriques avec déplacement relatif des faces en présence sont parfois assurés par la mise en présence de surfaces métalliques balais à fils des anciennes machines électriques tournantes, patins de frottement des pantographes de locomotives électriques, curseurs de rhéostats, arrivées de courant des voitures tamponneuses (attraction foraine) ou de jouets électriques sur rails, ... The electrical contacts with relative displacement of the faces involved are sometimes ensured by the presence of metal surfaces wire brushes of the old rotating electric machines, friction pads of the pantographs of electric locomotives, rheostats sliders, current arrivals of bumper cars ( fairground attraction) or electric toys on rails, ...

Lorsque la vitesse de déplacement relatif dépasse quelques centimètres par seconde des problèmes d'usure apparaissent rapidement, surtout lorsque les faces en présence présentent des irrégularités, que la tension dépasse quelques volts, l'intensité quelques dixièmes d'ampère. Des étincelles importantes se produisent. Ces petits arcs électriques provoquent des microfusions sur les faces métalliques en contact. En accroissant les frottements, cela entraine une usure rapide. De plus les étincelles sont l'origine de perturbations radio-électriques. When the relative movement speed exceeds a few centimeters per second, wear problems appear quickly, especially when the faces present have irregularities, the voltage exceeds a few volts, the intensity a few tenths of an ampere. Large sparks are produced. These small electric arcs cause microfusions on the metallic faces in contact. By increasing friction, this leads to rapid wear. In addition, sparks are the source of radio interference.

Une façon de tourner la difficulté consiste à utiliser des surfaces de sensibilité différente à l'usure en présence d'électricité, de façon à n'avoir à remplacer que la face de moindre valeur. One way to get around the difficulty is to use surfaces with different sensitivity to wear in the presence of electricity, so that you only have to replace the face of lesser value.

La famille de matériaux la plus universellement utilisée pour cette fonction est celle des matériaux carbonés naturels, artificiels, graphités ou non graphités, seuls ou en mélangés entr'eux ou avec différents adjuvants selon les conditions d'utilisation (vitesse de déplacement, densité de courant, voltage, nature de la contre face, ...). The family of materials most universally used for this function is that of natural carbonaceous, artificial, graphite or non-graphite materials, alone or as a mixture between them or with different additives according to the conditions of use (speed of movement, current density , voltage, nature of the back face, ...).

Cependant la réalisation de pièces carbonées selon la technique actuelle est complexe. Elle repose sur des opérations nombreuses : tamisage, contrôle et mélange de poudres, introduction d'un liant, malaxage, compressinon, cuisson en dessous de I0000, graphitation vers 2500 , découpage, usinage, fixation de pièces de raccordement. However, the production of carbon parts according to the current technique is complex. It is based on numerous operations: sieving, control and mixing of powders, introduction of a binder, kneading, compressing, baking below I0000, graphitation around 2500, cutting, machining, fixing of connecting pieces.

Des opérations supplémentaires sont souvent nécessaires pour améliorer l'homogénéité des produits ( rebroyage, granulation, ...) ou pour améliorer les propriétés de frottement en présence du courant électrique (imprégnations diverses, introduction de broches par usinage, ...). Additional operations are often necessary to improve the homogeneity of the products (regrinding, granulation, ...) or to improve the friction properties in the presence of electric current (various impregnations, introduction of spindles by machining, ...).

Toutes ces opérations sont coûteuses. All of these operations are costly.

De plus , lorsque-l'on désire obtenir un gradient contrôlé de la densité de courant sur la face de contact, la solution actuellement utilisée consiste à accoler des -fragments de résistivité différente, ce qui constitue une complication pour la réalisation. In addition, when it is desired to obtain a controlled gradient of the current density on the contact face, the solution currently used consists in attaching -fragments of different resistivity, which constitutes a complication for the production.

Pour raccorder les contacts au circuit électrique, il est souvent nécessaire de sceller ou de riveter des cables ou des tresses sur les pièces, ce qui constitue une opération supplémentaire. To connect the contacts to the electrical circuit, it is often necessary to seal or rivet cables or braids on the parts, which constitutes an additional operation.

Si l'on désire isoler ces pièces de raccordement, une opération de gainage est encore nécessaire. If it is desired to isolate these connection pieces, a sheathing operation is still necessary.

Enfin, la pression à appliquer pour que les surfaces mobiles l'une par rapport à l'åutre demeurent en contact est actuellement fournie par la mise sous pression d'un ressort, lequel constitue un accessoire supplémentaire. Finally, the pressure to be applied so that the movable surfaces relative to each other remain in contact is currently provided by the pressurization of a spring, which constitutes an additional accessory.

Quelques brevets se sont proposé de résoudre quelques uns des problèmes évoques. Dès I883 T.A. Edison maintenait les faisceaux de fils constituant ses balais en les réunissant par de la laque. D'aucuns ont proposé d'isoler des fibres et de les réunir, d'autres encpre de mettre à profit les propriétés de résistance à haute température des résines polyamide pour maintenir des structures conductrices plus ou moins complexes. Mais en l'état actuel de la technique, les contacts électriques glissants sont toujours réalisés dans leur ensemble à l'aide de pièces carbonées ou métalliques frittées contenant d'éventuels additifs divers. Some patents have offered to solve some of the problems mentioned. As early as 1883 T.A. Edison maintained the bundles of wires constituting his brooms by joining them together with lacquer. Some have proposed isolating fibers and bringing them together, others have attempted to take advantage of the high temperature resistance properties of polyamide resins to maintain more or less complex conductive structures. However, in the current state of the art, the sliding electrical contacts are always made as a whole using carbon or sintered metal parts containing possible various additives.

Face à la difficulté actuelle de réaliser des produits de caractéristiques électromécaniques reproductibles et constantes, la présente invention sépare, pour tous les types de contacts électriques glissants, la fonction conductibilité électrique et la fonction frottement mécanique en associant, pour remplir chacune de ces 2 fonctions, un type de constituant dont les caractéristiques et la technologie sont bien maîtrisés:
Des fibres métalliques de diamètre et de résistivité connus et des polymères organiques, chargés ou non, de caractéristiques bien reproductibles.Faced with the current difficulty in producing products with reproducible and constant electromechanical characteristics, the present invention separates, for all types of sliding electrical contacts, the electrical conductivity function and the mechanical friction function by combining, to fulfill each of these 2 functions, a type of constituent whose characteristics and technology are well controlled:
Metallic fibers of known diameter and resistivity and organic polymers, charged or not, with well reproducible characteristics.

On obtient ainsi des matériaux composites faciles à réaliser dans des conditions définies et reproductibles. Composite materials are thus obtained which are easy to produce under defined and reproducible conditions.

La variété des polymères existants est telle que les différents types de contacts glissants peuvent trouver une solution tant technique (résistance à l'usure, coefficient de frottement, tenue en température, aux vibrations, à la corrosion, au cheminement d'arc, ...) que technologique (pièces unitaires, petites, moyennes et très grandes séries). The variety of existing polymers is such that the different types of sliding contacts can find a technical solution (wear resistance, coefficient of friction, temperature resistance, vibration, corrosion, arc path, etc. .) as technological (unit parts, small, medium and very large series).

En plusse la possibilité de réaliser facilement et économiquement toute sorte de contact électrique glissant de catactéristiques bien définies et reproductibles, l'invention permet quelques simplifications de conception et de réalisations. In addition to the possibility of making easily and economically any kind of sliding electrical contact of well defined and reproducible characteristics, the invention allows some simplifications of design and embodiments.

Les exemples suivants sont donnés à titre d'illustration des possvi- bilités offertes par le type de matériaux proposé par l'invention. The following examples are given by way of illustration of the possibilities offered by the type of material proposed by the invention.

Exemple nOI (voir figure n I)
Réalisation de frotteurs pour jouets (voitures de "circuit 24" marque Jouef) par trempé.Example nOI (see figure n I)
Wipers for toys ("circuit 24" Jouef brand cars) by dipping.

Des tresses d'environ 20x4 mm constituées de fil de cuivre d'environ O,Imm de diamètre sont trempées sur une longueur d'environ 15 mm dans un bin d'aceto-butyrate de cellulose (par exemple Ténox-KP de la Société SoPRQS). Braids of approximately 20 × 4 mm made of copper wire of approximately O, Imm in diameter are soaked over a length of approximately 15 mm in a bin of cellulose aceto-butyrate (for example Tenox-KP from the company SoPRQS ).

en fusion, puis retirées et refroidies à la température ambiante.molten, then removed and cooled to room temperature.

La partie frottant, a, est passée sur une toile abrasive fine de façon à faire apparaitre le-cuivre. Le raccordement se fait en b. The rubbing part, a, is passed over a fine abrasive cloth so as to reveal the copper. The connection is made in b.

Ces frotteurs ont une durée de service supérieuretde 3 fois au moins celle des frotteurs ordinaires. These wipers have a longer service life of at least 3 times that of ordinary wipers.

Exemple n02 (voir figure n02)
Réalisation de frotteurs pour appareils électriques par injection ou par coulée.
Le choix entre les deux techniques est déterminé par le. nombre de pièces à réaliser et les dimensions de ces pièces.Example n02 (see figure n02)
Realization of wipers for electric devices by injection or by casting.
The choice between the two techniques is determined by the. number of parts to be produced and the dimensions of these parts.

Les fibres du composite sont constituées d'une tresse métallique3 de préférence du cuivre ou de l'aluminium ; les caractéristiques de cette tresse (nombre de brins, nombre de faisceaux, disposition, section des brins, ...) sont fonction de l'intensité maximale du courant à écouler. Pour des raisons de frottement et de bonne répartition des fils de section voisine de O,I mm sont généralement préférés. Le nombre de brins est alors défini de façon à avoir une section de passage totale qui corresponde aux normes pour un conducteur isolé. The composite fibers consist of a metallic braid3, preferably copper or aluminum; the characteristics of this braid (number of strands, number of bundles, arrangement, section of strands, ...) are a function of the maximum intensity of the current to flow. For reasons of friction and good distribution of wires with a cross-section close to 0.1 mm are generally preferred. The number of strands is then defined so as to have a total passage section which corresponds to the standards for an insulated conductor.

Le profil et la section de la ma-trice en polymère est fonction de la force d'appui désirée pourune déformation donnée, compte tenu du module en flexion du polymère choisi à la température de service. The profile and section of the polymer matrix is a function of the desired bearing force for a given deformation, taking into account the flexural modulus of the polymer chosen at the service temperature.

Dans le cas d'une réalisation par injection, on peut, par exemple, utiliser une polyamide II (marque Rilsan). In the case of production by injection, it is possible, for example, to use a polyamide II (Rilsan brand).

Dans le cas d'une réalisation par coulée, on peut, par exemple, utiliser une nuance d'époxy à faible module telle Eccoseal WI9 (marque Emerson
Cuming). In the case of production by casting, it is possible, for example, to use a low modulus epoxy grade such as Eccoseal WI9 (Emerson brand
Cuming).

On obtient ainsi en une seule piècé les fonctions de contact électrique et de force d'appui avec des conditions de frottement améliorées. The functions of electrical contact and pressing force are thus obtained in a single piece with improved friction conditions.

Exemple n03 (voir figure n"3)
Réalisation de patins de pantographe à l'aide de résine de coulée.Example n03 (see figure n "3)
Creation of pantograph pads using casting resin.

Les fibres du composite sont mises en oeuvre sous forme de tresse repliée dans le moule selon la figure. The fibers of the composite are used in the form of a braid folded back into the mold according to the figure.

Les caractéristiques de la tresse sont fonction du courant å faire passer. The characteristics of the braid depend on the current to be passed.

Le profil du patin est fonction des conditions d'utilisation. The profile of the skate depends on the conditions of use.

La résine utilisée pour la matrice est une résine de coulée de préférence de la famille des polyesters ou des époxydes, éventuellement chargée avec des composés favorisant le frottement à sec en présence de courant électrique. The resin used for the matrix is a casting resin preferably from the family of polyesters or epoxides, optionally loaded with compounds which promote dry friction in the presence of electric current.

A titre d'illustration nous citerons la formule suivante
Eccoseal WI9 d'Emerson Cuming 50 parties en poids
Graphite artificiel 90-350 u 25
Graphite naturel 90-350 u 25 " "
Lorsque la prise est terminée, il y a lieu de s'assurer que les fibres motalliques apparaissent bien sur la face frottante a ; l'action d'un abrasif peut être utilisé.By way of illustration, we will cite the following formula
Eccoseal WI9 from Emerson Cuming 50 parts by weight
Artificial graphite 90-350 u 25
Natural graphite 90-350 u 25 ""
When the setting is finished, it is necessary to make sure that the metallic fibers appear well on the rubbing face a; the action of an abrasive can be used.

L'extrêmité b peut servir au raccordement électrique. The end b can be used for the electrical connection.

Exemple n 4 (figure n04)
Réalisation de préformes pour le découpage de ba lais; par boudinage ou par coulée.Example # 4 (Figure # 04)
Creation of preforms for cutting ba lais; by extrusion or by casting.

Des fils conducteurs, par exemple en cuivre ou en aluminium, de diamètre unitaire voisin de O,I mm constituent l'armature conductrice du composite
Le nombre de fils et leur répartition sont fonctions- des caractéristiques du courant passant dans le balai. En particulier la densité de courant au niveau du collecteur permet de définir le nombre de fils par unité de surface selon leur résistance électrique unitaire, elle-même fonction de la résistivité, du diamètre et de la longueur des fils. De même si l'on désire obtenir un gradient de densité de courant entre différentes parties de la surface de contact, il est possible de disposer les fils conducteurs en conséquence.Conductive wires, for example copper or aluminum, with a unit diameter close to 0.1 mm constitute the conductive reinforcement of the composite
The number of wires and their distribution are functions of the characteristics of the current passing through the brush. In particular, the current density at the collector makes it possible to define the number of wires per unit area according to their unit electrical resistance, itself a function of the resistivity, the diameter and the length of the wires. Similarly, if it is desired to obtain a current density gradient between different parts of the contact surface, it is possible to arrange the conductive wires accordingly.

Selon la taille des préformes désirées et surtout l'importance de la fabrication, la réalisation pourra se faire par coulée dans des moules (petites quantités) ou par extrusion sur une boudineuse. Depending on the size of the desired preforms and especially the importance of the manufacturing, the production can be done by casting in molds (small quantities) or by extrusion on a extruder.

Dans le cas de plaques réalisées par coulée, on peut utiliser, par exemple, de préférence une résine polyester (Norsodyne 20I de C.D.F. Chimie) ou époxy (Eccoseal I266 de Emerson Cuming) pour constituer la matrice du composite. In the case of plates produced by casting, it is possible to use, for example, preferably a polyester resin (Norsodyne 20I from C.D.F. Chemistry) or epoxy resin (Eccoseal I266 from Emerson Cuming) to constitute the matrix of the composite.

I1 est évident que selon les applications on peut introduire les charges connues les plus appropriees. It is obvious that, depending on the applications, the most suitable known charges can be introduced.

Dans le cas de préformes réalisées par boudinage, le polymère de la matrice sera choisi en fonction du problème à résoudre : température de fonctionnement, pression de fonctionnement, tolérances dimensionnelles, usure, vitesse de rotation, cadence de fabrication, ... Les charges et les additifs connus peuvent faciliter la résolution des problèmes. In the case of preforms produced by extrusion, the polymer of the matrix will be chosen according to the problem to be solved: operating temperature, operating pressure, dimensional tolerances, wear, rotational speed, production rate, ... The loads and known additives can help solve problems.

Parmi les différents polymères envisageables, on peut citer l'éthy- lène polytétrafluoréthylène (marque Tefzel de Dupont de Nemours) pour des températures de fonctionnement de I30-I50 , faible coefficient de frottement, une usure faible, de faibles perturbations radio ; le polypropylène (marque Lacqtèue de Ato) pour des températures proches de I00" et un faible court de fabrication ; ainsi que les polyamides II (marque Rilsan de Ato), le polycarbonate (marque Makrolon de General Electric), le polyacétal (marque Kematal de Amcel), à titre d'exemple. Among the various polymers that can be envisaged, mention may be made of ethylene polytetrafluoroethylene (Tefzel brand from Dupont de Nemours) for operating temperatures of I30-I50, low coefficient of friction, low wear, low radio interference; polypropylene (Lacqtèue brand from Ato) for temperatures close to I00 "and a short manufacturing shortage; as well as polyamides II (Rilsan brand from Ato), polycarbonate (Makrolon brand from General Electric), polyacetal (Kematal brand from Amcel), as an example.

La réalisation de préformes par extrusion permet la réalisation de profilés limitant l'importance de l'usinage pour obtenir les pièces désirées en très grande quantité en limitant le coût de l'outillage. The production of preforms by extrusion allows the production of profiles limiting the importance of machining to obtain the desired parts in very large quantities while limiting the cost of tooling.

Exemple n05 (figure N05)
Réalisation de balais moulés par injection comportant à la fois les sorties de cable isolées, le dispositif fournissant la pression d'appui et le dispositif d'arrêt d'utilisation lorsque l'usure maximale admissible est atteinte.Example n05 (figure N05)
Realization of injection molded brushes comprising both the insulated cable outlets, the device providing the contact pressure and the device for stopping use when the maximum admissible wear is reached.

Des fils conducteurs fins de diamètre voisin de O,I mm, de préférence en cuivre ou en aluminium, constituent l'armature conductrice du composite. Fine conductive wires with a diameter close to 0.1 mm, preferably made of copper or aluminum, constitute the conductive reinforcement of the composite.

La matrice est en thermoplastique chargé ou non. The matrix is made of loaded or unloaded thermoplastic.

Le profil des ressorts est fonction de la force d'appui désirée et du module en flexion à la température d'utilisation de la formule de. thermo- plastique choisi. The profile of the springs is a function of the desired pressing force and of the flexural modulus at the temperature of use of the formula. thermo-plastic chosen.

A titre d'exemple cette formule peut être à base de polyamide II chargée de IO % de graphite naturel 90-350 u, IO % de graphite artificiel 90350 u et de 0,5 % de quartz â 60
Une partie dénudée b peut servir au raccordement électrique.By way of example, this formula can be based on polyamide II loaded with 10% natural graphite 90-350 u, 10% artificial graphite 90 350 u and 0.5% quartz at 60
A bare part b can be used for the electrical connection.

Le dispositif d'arrêt d'utilisation c est un insert de moulage constitué par un manchon dans lequel coulisse un ressort d prenant appui d'un caté sur le fond de l'insert percé d'un évent e, et de l'autre caté sur un piston f. The stop-use device c is a molding insert constituted by a sleeve in which slides a spring d bearing on a caté on the bottom of the insert pierced with a vent, and on the other caté on a piston f.

Seul l'intérieur du manchon reçoit un revêtement empêchant l'adhérence du ther mopsastique (par exemple une pulvérisation d'huile silicone).Only the inside of the sleeve receives a coating preventing the adhesion of the thermopsic (for example a spray of silicone oil).

Les caractéristiques du ressort d sont choisies de façon à ce qu'il soit mis en compression par la pression d'injection et que cette compression soit capable, lorsqu'elle est libérée par l'usure à la cote h, de contrebalancer l'effet des ressorts d'appui. The characteristics of the spring d are chosen so that it is put in compression by the injection pressure and that this compression is capable, when it is released by wear at dimension h, of counterbalancing the effect support springs.

Exemple nb6 (figures 6 et 6 bis)
Réalisation de balai moulé comportant un fusible de protection.Example nb6 (Figures 6 and 6a)
Realization of molded broom including a protection fuse.

Les fils conducteurs de la matrice sont reliés à un support conducteur c lui-même en contact avec un fusible d et son support f dont les faces b et c assurent la continuité du circuit électrique. The conductive wires of the matrix are connected to a conductive support c itself in contact with a fuse d and its support f, the faces b and c of which ensure the continuity of the electrical circuit.

Les fibres conductrices du composite ainsi que les pièces c et f peuvent constituer un seul insert ou des éléments séparés. The conductive fibers of the composite as well as the parts c and f can constitute a single insert or separate elements.

De même la pièce f contenant le fusible d peut être amovible (figure 6 bis). Dans ce cas, au cours du moulage il n'y a comme insert que la pièce c. Likewise, the part f containing the fuse d can be removable (FIG. 6a). In this case, during the molding there is only the insert c.

Le moulage du balai laisse une cavité dans laquelle on introduit un fusible monté. The molding of the brush leaves a cavity in which a mounted fuse is introduced.

Les fils conducteurs ainsi que la formule de la matrice du composite sont fonction de l'utilisation. The conductors and the formula of the composite matrix are dependent on the use.

Claims

CLAIMS I- Sliding electrical contacts characterized by the fact that they are made of composite materials associating conductive fibers ensuring the electrical continuity between the fixed part and the mobile part of a circuit and a polymer-based matrix (s3 .organic (s) making it possible to provide all the other properties necessary for proper operation under easily reproducible conditions.

2- Electrical contacts according to I designed to be produced using the different technologies for using polymers: impregnation by dipping, casting of crosslinkable resin, injection or extrusion of thermoplastics, compression of thermosets, etc.

3- Electrical contacts according to I and 2 in which the matrix consists of one or more polymers of a thermoplastic, thermosetting or crosslinkable nature at a temperature close to ambient.

4- Electrical contacts according to I, 2 and 3 in which the polymer matrix can be added with charges improving the conditions of production (ease of implementation, lowering of manufacturing costs) or (and) the operating conditions: friction, stability dimensional hot, resistance to aging, thermal conductivity, resilience, modulus of elasticity in bending, cleaning of the rubbing parts, etc ...

5- Electrical contacts according to I, 2, 3 and 4 characterized by the fact that they integrate in one piece one or more of the following functions:

connection by insulated cable or not

application force generation

wear limiter

protection of the circuit against overvoltages 6- Electrical contacts according to I, 2, 3, 4 and 5 characterized by the fact that they ensure the electrical junction as well by being mobile along a fixed surface (wire, cable, rail, ...) by being fixed in abutment on a mobile surface (engine manifold, generator ring, ...).

7- Electrical contacts according to I, 2, 3, 4, 5 and 6 characterized in that they can be produced both directly by molding in terms of form of use, and partially machined from preforms or profiles, or totally from blocks.